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「網(wǎng)易科學(xué)人」是網(wǎng)易科技旗下原創(chuàng)深度科學(xué)類報道欄目 點擊頭像并關(guān)注，每周欣賞5篇科學(xué)佳文。 出品︱網(wǎng)易科學(xué)人欄目組 據(jù)BBC報道，有些報道暗示，由于受到微生物侵蝕分解，泰坦尼克號可能在20年內(nèi)徹底消失。但另一方面，有些細(xì)菌可能正幫助保護(hù)這艘沉船，不至于讓它在短期內(nèi)腐爛崩解。 當(dāng)泰坦尼克號于1912年開始其處女航時，沒人能預(yù)測到這艘華麗的游輪會變成如今的模樣：銹跡斑斑地躺在安靜的大西洋海底。但在其命運多舛的大西洋之旅100多年后，這艘游輪依然保留下許多殘骸。然而，科學(xué)家們認(rèn)為，在幾十年內(nèi)，這艘巨輪可能什么都剩不下，徹底在世界上消失。因為有一些專門以吃鐵殼為生的細(xì)菌，正慢慢將泰坦尼克號“吃光”。 美國羅德島大學(xué)海洋學(xué)家羅伯特·巴拉德（Robert Ballard）于1985年發(fā)現(xiàn)泰坦尼克號殘骸。鮮為人知的是，當(dāng)時巴拉德當(dāng)時正參與美國海軍的一項秘密任務(wù)，幫助確定兩艘在冷戰(zhàn)期間沉沒的美國核潛艇殘骸的位置，而泰坦尼克號只是他們偶然發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)物。當(dāng)時，它正好在兩艘核潛艇殘骸之間被發(fā)現(xiàn)。 泰坦尼克號最初被發(fā)現(xiàn)時，它保存的相當(dāng)完好。位于水面3800米之下，缺少陽光照射和巨大的水壓，導(dǎo)致那里不適合大多數(shù)生命生存，這減緩了它受腐蝕的速度。然而30年后，由于受到以咀嚼金屬為生的細(xì)菌侵蝕，泰坦尼克號的船殼已經(jīng)消失。有些研究人員預(yù)測，這艘沉船很可能在14年內(nèi)徹底消失。
那么，這種正吃掉泰坦尼克號的細(xì)菌到底為何方神圣？我們的故事始于1991年，當(dāng)時加拿大達(dá)爾豪西大學(xué)的科學(xué)家收集銹跡形成的、類似冰柱的銹衣樣本，它們就懸掛在沉船上。研究人員將它們帶回實驗室，發(fā)現(xiàn)它們似乎屬于生命體。但是直到2010年，由達(dá)爾豪西大學(xué)科學(xué)家亨利埃塔·曼恩（Henrietta Mann）領(lǐng)導(dǎo)的另一個團(tuán)隊，才最終確認(rèn)了這種生命體到底是什么。 曼恩等人分離出一種細(xì)菌，然后發(fā)現(xiàn)了一門全新學(xué)科。曼恩和同事們以泰坦尼克號為其命名，取名Halomonas titanicae。這種細(xì)菌可在地球上大多數(shù)生命形態(tài)完全不適合生存的環(huán)境中存活，即沒有光線、壓力巨大的深水中。但它具備驚人的能力，甚至可生活在其他極端環(huán)境中，比如鹽沼。在這種環(huán)境中，由于不斷蒸發(fā)，水會急劇減少，鹽度則會大幅上升。而Halomonas titanicae可以根據(jù)環(huán)境進(jìn)化，以應(yīng)對不同的問題。 如果細(xì)胞所處的環(huán)境鹽度太高，水就會從細(xì)胞中擠出來，導(dǎo)致細(xì)胞萎縮、崩潰和死亡。可是，鹽分太少也可能引發(fā)致命影響。舉例來說，血細(xì)胞放入純水中，會因“洪水泛濫”而破裂。這些現(xiàn)象之所以會發(fā)生，是由水的特性決定的，水傾向于從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動，這種現(xiàn)象被稱為滲透。
這意味著什么？鹽、糖以及其他小分子都會在水中溶解，堵塞和占用空間。這意味著，水本身的空間就會減少。當(dāng)這些低水區(qū)與純水接觸時，水就會涌入以恢復(fù)平衡。這就像在冬天時，當(dāng)你打開房門時，熱空氣會沖出房間一樣。由于細(xì)胞膜是透水的，這意味著所有的生命形態(tài)對內(nèi)部和外部鹽度水平變化都非常敏感。 為了阻止細(xì)胞破裂或萎縮，許多物種會產(chǎn)生像糖、氨基酸這樣的化合物，以保持細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)濃度相對穩(wěn)定，比如阻止水大量涌入或大量流出。可是，并沒有太多微生物擁有Halomonas titanicae那樣的能力。法國勞厄-朗之萬學(xué)院的喬·扎開（Joe Zaccai）曾參加一個國際科學(xué)家團(tuán)隊，分析細(xì)菌如何在極端環(huán)境中生存。他們發(fā)現(xiàn)，Halomonas titanicae利用名為四氫嘧啶的分子，保護(hù)其不受滲透壓力的影響。 扎開說：“如果一個細(xì)胞能在鹽度波動的環(huán)境中生存，它必定存在某種特殊能力，可以調(diào)節(jié)其內(nèi)部溶液的濃度。Halomonas titanicae可以產(chǎn)生四氫嘧啶，以抵消外部的滲透壓力。當(dāng)外部鹽度波動時，其內(nèi)部濃度也會隨之變化。”換言之，水的鹽度越高，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生的四氫嘧啶越多，以便阻止外部水滲透到細(xì)胞內(nèi)部。然而，對于有機(jī)體來說，這種調(diào)節(jié)也非常危險。細(xì)胞內(nèi)積累的物質(zhì)越多，進(jìn)入水分子的物質(zhì)越多，從而破壞了水的獨特性。
對于生命來說，水之所以如此重要，是因為水是原子之間的連接鍵（或稱氫鍵），充當(dāng)溶劑的作用。其他化學(xué)物質(zhì)可溶解在水中，或產(chǎn)生反應(yīng)。生命的反應(yīng)需要在溶劑中發(fā)生，這也是為何我們的細(xì)胞總是沐浴在液態(tài)水中的原因。此外，RNA、DNA、負(fù)責(zé)執(zhí)行細(xì)胞日常工作的蛋白質(zhì)和酶以及賦予它們結(jié)構(gòu)的膜等，都需要在水的包裹下才能發(fā)揮作用。 這層水被稱為“水化殼”，對于維持蛋白質(zhì)正確折疊非常重要。如果這個過程被打斷，蛋白質(zhì)就會分解或分離，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。研究顯示，Halomonas titanicae細(xì)菌顯然能夠在細(xì)胞內(nèi)積累非常多的四氫嘧啶，最多可占微生物質(zhì)量的20%，而分子必須以某種方式保留水的重要屬性。 為了解開這個謎題，扎開領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊用中子束轟擊這種細(xì)菌。通過觀察微生物細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)中原子的中子反彈產(chǎn)生的分散模式，科學(xué)家們能夠觀察到分子和原子水平上的結(jié)構(gòu)。世界上只有甚少的地方適合進(jìn)行此類實驗，勞厄-朗之萬學(xué)院是世界上少數(shù)幾個中子研究中心之一。扎開說：“通過觀察中子如何以不同的方式分散，我們成功確定了四氫嘧啶在蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜中的行為，更重要的是，也確定了其在水中的行為。四氫嘧啶并非進(jìn)行干預(yù)，而是增強(qiáng)對于生物來說必不可少的水的溶解性。”
事實證明，無論有多少四氫嘧啶溶解在細(xì)胞內(nèi)，包圍蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜的水層中依然是百分之百的純水，這可保證細(xì)胞的新陳代謝功能正常。這是因為，當(dāng)四氫嘧啶與水形成氫鍵時，它會形成更大的簇，不適合附在蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜表面上，為此只能存在于純水中。 對Halomonas titanicae的初步調(diào)查顯示，它能在最少相當(dāng)于自身體重0.5%的水中生長，也可在最多相當(dāng)于自身體重25%的水中生存，盡管它的最佳生存濃度為2%到8%之間。可是，現(xiàn)在依然不清楚，這種耐鹽性是否有助于其在沉船上生存。 Halomonas titanicae不是唯一喜歡在沉船中生存的細(xì)菌，還有許多微生物棲息在海底的沉船中。它們很快在沉船表面上形成粘膜（即生物膜），這些生物膜就像珊瑚、海綿以及軟體動物的天堂，反過來又會吸引更大的動物。沉船很快就會變成人工礁石，成為眾多生命的家園。
古代木質(zhì)沉船也受到以吃木料為生的細(xì)菌侵蝕，就像現(xiàn)代鋼鐵巨輪受到Halomonas titanicae這樣的細(xì)菌襲擊一樣。Halomonas titanicae最終可能毀掉泰坦尼克號，但這些細(xì)菌實際上也在保護(hù)沉船免于快速腐爛。這也是為何許多古老沉船至今依然存在的原因，最早到沉船甚至可追溯到公元前14世紀(jì)。 2014年，來自美國海洋能源管理局的科學(xué)家進(jìn)行了迄今為止最深的海洋調(diào)查，研究那些沉船上的微生物。他們研究了墨西哥灣北部海底的8艘沉船，包括可追溯至17世紀(jì)和19世紀(jì)的木殼船，還有3艘二戰(zhàn)時期被德國潛艇擊沉的鐵殼船。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，造船所用材料是決定依附沉船上微生物種類的決定因素。木船上主要是以木材為生的細(xì)菌，鐵船上則以喜食鐵的細(xì)菌為主。令人感到驚奇的是，盡管這些細(xì)菌以沉船為食，但它們實際上卻在保護(hù)沉船腐爛。
領(lǐng)導(dǎo)此次探險的佛羅里達(dá)州立大學(xué)海洋考古學(xué)家梅勒尼·達(dá)莫爾（Melanie Damour）說：“從本質(zhì)上說，不論是木質(zhì)船還是鐵質(zhì)船，一旦它們沉入海底，立即就會被以它們?yōu)槭车奈⑸锔采w。最初，沉船由于接觸海水，將會開始腐爛。但是隨著微生物依附在沉船上，它們開始形成生物膜，在船體和海水之間形成保護(hù)層。如果你看到過銹跡斑斑的沉船，你會發(fā)現(xiàn)其最初會腐爛，隨后會形成生物膜。” 這意味著，任何機(jī)械性撞擊，比如有鐵錨拖拽過沉船，都會打破保護(hù)外殼，導(dǎo)致金屬暴露在海水中，從而加速腐爛。實際上，不僅僅是機(jī)械撞擊會加速沉船腐爛。2010年深水地平線號發(fā)生事故，導(dǎo)致數(shù)百萬加侖石油泄漏在墨西哥灣中，許多石油沉入深海。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些漏油也會加速這些沉船的腐爛速度，因為它會殺死保護(hù)沉船的細(xì)菌。
達(dá)莫爾說：“在數(shù)百萬年的進(jìn)化過程中，每種細(xì)菌、真菌、微生物都有特定功能。硫酸鐵還原菌可依附在鋼鐵沉船上，其他細(xì)菌可能喜歡構(gòu)成石油的碳?xì)浠衔铮虼嗽?010年漏油事件后突然呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。可是我們發(fā)現(xiàn)，并非所有微生物都能應(yīng)對石油或化學(xué)品泄漏的影響，有些時候甚至?xí)虼耸艿街旅{。即使4年之后，漏油依然存在于環(huán)境中，并對保護(hù)沉船的細(xì)菌和生物膜產(chǎn)生破壞性影響，導(dǎo)致沉船腐爛加速。” 這項發(fā)現(xiàn)令人感到震驚，因為僅在墨西哥灣海底，就有2000多艘沉船，包括16世紀(jì)的西班牙沉船、二戰(zhàn)時期的潛艇殘骸等。這些沉船都是擁有重要歷史意義的紀(jì)念碑，為我們提供了有關(guān)過去的獨特洞見。此外，它們也為許多深海生命提供了家園。 但是最終，這些沉船（包括泰坦尼克號）都將被完全“吃光”，無論是被以金屬為食的細(xì)菌吃掉還是被海水腐蝕。泰坦尼克號上的鋼鐵最終會被納入海洋動物和植物體內(nèi)，并以另外一種方式“重生”。（小小）
 本文來源：網(wǎng)易科學(xué)人
責(zé)任編輯：郭浩_NT5 |
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